220kV磐石变电站智能联合巡检平台搭建

国网温州供电公司 郑 克 徐继要 许雅婧 张照坤 王 建

变电站人工巡检模式存在人员技能水平参差不齐、漏检、误检、恶劣环境等因素导致不能及时发现设备缺陷而发生故障[1]。随着我国电网规模的发展，变电站规模不断扩大，依靠人工巡检模式一是工作量大；二是效率不高；三是存在较高安全隐患，已不满足当前发展的需求。随后，逐渐形成了半自动化、自动化、智能化的巡检模式[2-3]。在电网建设“十三五”规划中提出变电站向智能化发展，机器人、物联网、人工智能等技术与变电站运维工作得到有机结合并普遍运用[4]，如物联网在变电站在线监测、继电保护等方面的运用；变电站室内、外机器人巡检、无人机巡检、变电站立体智能巡检[5-8]，单一的某种巡检模式由于各系统间存在信息孤岛现象、机器人与无人机活动范围受限不能全面覆盖、系统信息交换不足等缺点，不能全面反映变电站的运行状况。在2019年国家电网提出变电站智能联合巡检的概念，以真正实现变电站例行和特殊情况下的无人化、自动化巡检。

文中以220kV磐石变电站为例，开发出以巡检机器人、视频监控系统、无人机巡检等智能感知设备为一体的联合巡检平台，通过四足机器人、巡检机器人、视频监控系统实现变电站设备的可视化管控，用无人机补充高空巡视不足的短板，实现该变电站的安全高效运行。

1 关键技术

1.1 视频监控技术

采用红外双光卡片式摄像机对变电站中重要电气设备进行全天候实时温度监测，探测其温度的变化，实现精准测温。若发现温度异常时进行报警提醒，协助运维人员快速定位异常点，及时处理，减少安全隐患。

采用智能半球型网络摄像机，基于以太网控制，实现图像压缩，并通过网络传输给不同用户；基于NAS集中存储，方便数据的存储及调用。具有双向语言对讲功能，进、出区域侦测并报警功能，适用环境广阔。

采用热成像双光谱网络智能球形摄像机，不受光线影响，实现全天24小时监控。拥有Smart跟踪、侦测、录像、图像增强、报警等功能；可实现智能烟火检测；测温范围广、精度高。

1.2 机器人巡检技术

1.2.1 室外机器人

室外机器人为智能无轨行走式机器人，如图1所示通过搭载红外热像仪、可见光高清摄像机、交互式实时对讲平台、光电停障系统等实现如下功能：视频图像采集、储存记忆并远传；对站内设备进行红外测温并进行分析判断；识别开关分合闸位置、识别表计读数并记录作出判别，超出规定值报警；对设备运行噪声进行采集、远传，供后期样本声音数据比较及分析用；通过预设低电量报警自动检测并停止工作到预设地点充电；探测障碍物防误撞击；针对复杂问题站内人员可与专家远程语音、视频对讲交流。

图1 室外机器人

1.2.2 室内机器人

室内机器人分为轮式和挂轨式机械伸缩臂机器人，如图2所示。通过搭载可见光高清摄像机、红外热像仪、气体传感器等实现如下功能：全自助巡检和遥控巡检；视频图像采集、储存记忆并远传；对内设备进行红外测温并进行分析判断；对继电器状态、信号灯颜色进行识别，识别表计读数并记录作出判别；通过二维码导航、轨道+光电导航方式按预先设定导航路线行走和停靠；通过预设低电量报警自动检测并停止工作到预设地点充电；测量室内SF6、O3气体浓度并检测识别后将数据上传至后台。针对复杂问题站内人员可与专家远程语音、视频对讲交流。

图2 室内机器人

1.3 四足机器人巡检技术

四脚机器人结构如图3所示。主控模块采用嵌入式工控机PICO-WHU4智能感知模块，搭载激光雷达、红外热像仪与高清摄像头，通过工业交换机与无线AC客户端接入无线网络。实现如下功能：现场环境360°视频图像的采集，根据工作人员的需要将图像信息经无线网络传回主控室，并自动记录拍摄地点和设备名称，以备工作人员日后能查询完整的信息；对站内设备进行温度检测，实时显示影像中温度最高点区域及温度值，按照要求对电流致热型缺陷或故障进行自动分析判断，并提出预警；完成常规及特殊巡检；当变电站内发生设备起火、设备爆炸、SF6气体泄漏等突发事件时，协助值班员完成应急事故处理；配备夜间照明设备和雨刷器，实现夜间和雨天巡检功能。

图3 四足机器人本体结构

1.4 无人机巡检技术

变电站采用无人机巡检目前已运用普遍，针对该变电站设备结构复杂、分布密集的特点，选择小型大疆御2进阶版多旋翼无人机进行变电站巡检。该无人机智能巡检系统无人机技术、无线传输技术、自动化控制技术、图像分析技术、数据管理技术等其他先进技术于一体的智能巡检系统，实现不依赖于现场人工操作，即可完成无人机自动巡检任务。操作人员可远程设定作业任务并下发，固定机场接收到远程下发的任务后，将派出无人机作业，固定机场将全自动化地完成起飞、巡检、降落、回收、充电、数据上传等操作步骤，全程无须现场人员参与。

2 平台框架的构建

综合上述关键技术及设备实现的功能，提出以巡检服务器、四足机器人、巡检机器人、视频监控、三维主机为主体的变电站联合巡检方案。基于四足机器人、巡检机器人和视频监控系统依靠系统内智能识别算法开展室内外设备联合巡检。同时具备对外接口，支持以IEC104规约与第三方系统对接。无人机系统由于变电站精确定位需连到因特网，网络暂时独立运行。软件功能模块包含安全中心、数据中心、任务中心、配置管理、台账管理、统计中心、监控中心，根据巡检业务需要形成数据采集、数据分析、任务管理、巡视监控、巡视结果确认、巡视结果分析、智能联动、台账管理、配置管理九大功能模块。系统内包设置图像识别算法，实现表计读数、开关类设备位置指示以及压板、空开、把手、指示灯等设备状态智能识别；实现鸟窝、风飘物、箱门未关、未穿工装、未戴安全帽等缺陷类与安全风险类识别；同时，系统支持对接声纹识别、气体分析等各种智能算法，扩展系统智能分析能力，接入三维实景主机后，可实现巡视作业可视化。

3 工程运用

2021年9月，220kV磐石变电站智能联合巡检平台搭建完成，变电站内布置多个红外双光卡片式摄像机和智能半球型网络摄像机、室外巡检机器人、四足机器人、每个配电室各配置一台轮式和挂轨式机械伸缩臂机器人、一台无人机，实现站内巡检点全面覆盖。通过机器人和视频监视手段，每周自主开展一次变电站设备巡视及红外检测。采用激光点云扫描、实景三维重构、图像识别等技术，实现表计数据自动抄录、开关（压板）状态自动判别及异常报警功能。对全站4816个巡检点平均巡检耗时进行统计，如表1所示，从表中可以看出：站内各区域巡检效率之高，完成单个巡检点耗时仅需几秒时间，减少了巡视时间；从历史表计采集数据来看，数据采集精准，几乎不存在误差；从历史事件记录来看，设备缺陷、安全风险、状态识别准确无误。

表1 站内巡检点耗时统计

4 结语

文中通过阐述视频监控、机器人、无人机巡检技术功能，通过搭载智能设备实现设备感知，采用红外成像、激光雷达、图像识别等技术实现联合巡检、智能识别、综合判断等功能，搭建了220kV变电站智能联合巡检平台，并在220kV磐石变电站中得到成功运用，巡视效率高，实现了无人化、智能化的巡检模式。